通用CPCI數據處理與IO模塊的設計與實(shí)現

摘要：數據處理與IO模塊主要完成數據計算、模擬和數字信號的采集與處理等功能。給出一種通用的CPCI數據處理與IO模塊的設計方案，模塊采用滿(mǎn)足CPCI總線(xiàn)規范的加固型設計，可以實(shí)現主控模塊和外設模塊的自適應轉換。討論了處理器功能電路設計、IO功能電路設計和通用CPCI接口設計，并針對模塊功能設計進(jìn)行驗證。

0 引言

嵌入式數據處理與IO模塊應用在抗惡劣環(huán)境中，主要完成數據計算、模擬和數字信號的采集與處理等功能。隨著(zhù)嵌入式系統對數據處理性能需求的逐步提高，PowerPC微處理器由于其RISC架構、高主頻、并行矢量處理技術(shù)已經(jīng)成為許多高性能系統的優(yōu)選處理器。同時(shí)為了提高數據處理與IO模塊的開(kāi)放性、擴展性和維修性，需要采用成熟的標準PCI總線(xiàn)對模塊進(jìn)行規范化、通用化設計Compact PCI(簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI)總線(xiàn)是國際工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會(huì )于1994年提出來(lái)的一種總線(xiàn)接口標準，是以PCI電氣規范為標準的高性能工業(yè)用總線(xiàn)。CPCI總線(xiàn)充分利用了PCI總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在電氣、邏輯和軟件功能方面與PCI總線(xiàn)完全兼容，同時(shí)具有熱插拔能力，已經(jīng)廣泛的應用在通信與網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域中。滿(mǎn)足CPCI總線(xiàn)規范的模塊采用加固型的結構設計和高可靠的連接器，具有較高的可靠性和較強的環(huán)境適應能力。

1 系統架構

數據處理與IO模塊為6U結構，底板采用標準的CPCI連接器。功能電路主要由CPU、CPU橋接器、FLASH存儲器、SDRAM存儲器、FPGA邏輯電路、AD接口、離散量接口、以太網(wǎng)調試接口、RS232串行接口、RS422串行接口、PCI—PCI橋接器等組成，系統結構如圖1所示。

模塊的設計采用結構化、層次化的設計方法，各層設計的功能相對獨立，各個(gè)功能子模塊的功能明確。CPU通過(guò)橋接器和FPGA實(shí)現與板內資源的交互，橋接器同時(shí)實(shí)現存儲器控制器接口，可以直接對接DDR2存儲器，處理器，PCI接口都可以通過(guò)橋接器對存儲器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。模塊上提供2路標準的66MHz/64位數據寬度的PMC接口，用于模塊的性能、功能擴展，PMC總線(xiàn)通過(guò)PCI總線(xiàn)跟橋接器相連。模塊內部PCI總線(xiàn)和底板CPCI總線(xiàn)采用PCI—PCI橋接器隔離，使用時(shí)可以進(jìn)行靈活的配置。

2 處理器功能電路設計

2.1 處理器電路設計

CPU模塊采用處理器PowerPC 7447A，PowerPC7447A是PowerPC系列處理器中的第四代高性能的處理器，是一款高性能、低功耗，32位精簡(jiǎn)指令集結構的處理器。處理器主頻為1000MHz，可以通過(guò)跳線(xiàn)根據PC7447A的手冊來(lái)更改主頻，為節省能耗CPU模塊降頻到600MHz使用。

處理器通過(guò)橋接器訪(fǎng)問(wèn)自己的資源，處理器的資源主要有：DDR2 SDRAM，Flash存儲器，NVSRAM存儲器，串行接口，PMC接口，以太網(wǎng)接口，中斷控制器，可編程看門(mén)狗電路等。

處理器橋接器采用Tsi109，橋接器/集成存儲器控制器提供PowerPC74XX處理器到PCI總線(xiàn)的接口，Tsi109提供功能有：一個(gè)高性能的存儲器控制器，兩處理器的支持，兩通道DMA控制器，一個(gè)中斷控制器，一路消息控制器，一路I2C接口，一個(gè)時(shí)鐘鎖相環(huán)電路等。

2.2 復位電路設計

復位電路主要由MAX706ESA芯片實(shí)現。模塊上電時(shí)，FPGA需要配置，在配置過(guò)程中IO引腳保持三態(tài)，此時(shí)輸入到MAX706ESA的手動(dòng)復位通過(guò)下拉電阻下拉為低電平，使模塊處于復位狀態(tài)，待FPGA加載完成后，FPGA該IO引腳通過(guò)邏輯輸出為高，手動(dòng)復位結束。在工作中通過(guò)手動(dòng)復位可以對模塊進(jìn)行復位，如果MAX706ESA檢測到電壓+5V低于+4.4V時(shí)，產(chǎn)生復位。

3 IO功能電路設計

3.1 AD接口設計

模塊提供8路差分AD來(lái)完成模擬數據的采集，8路差分模擬量輸入在模塊內首先被轉換成8路單端輸入，經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后進(jìn)入AD轉換芯片，AD的并行接口輸出經(jīng)過(guò)鎖存器后進(jìn)入FPGA，模擬開(kāi)關(guān)與AD芯片之間加運算放大器和電壓跟隨器。AD接口結構如圖2所示。

AD轉換芯片選用AD公司的AD976，16位采樣精度，采樣速率100KSPS，輸入電壓為±10V，AD976主要由R/C和CS信號控制轉換，設計中這倆信號由FPGA實(shí)現，軟件中只需向FPGA內的一個(gè)地址寫(xiě)入低電平，FPGA便會(huì )輸出R/C和CS兩個(gè)低脈沖，從而啟動(dòng)AD轉換。

3.2 串行接口設計

模塊提供8路RS422接口，采用EXAR公司的通用異步收發(fā)器XR16C864來(lái)實(shí)現，該芯片具備4路數據通道，每通道FIFO字節128字節，波特率最高可達2Mbps?？梢酝ㄟ^(guò)芯片寄存器操作實(shí)現接口的操作配置、狀態(tài)查詢(xún)、錯誤管理、中斷控制等功能。模塊上通過(guò)FPGA的控制邏輯實(shí)現處理器對協(xié)議芯片的配置管理和接口中斷控制等功能。

在Vxworks中，串行設備是一種特殊的字符型設備。為了方便操作，軟件中調用ttyDevCreate函數將RS422創(chuàng )建為標準的串口設備。應用程序編寫(xiě)時(shí)可以完全忽略底層硬件，將RS422看成是IO文件系統的設備，采用iolib系統庫提供的接口函數open()、wrire()，read()，close()，ioctl()等函數來(lái)對設備進(jìn)行操作。

4 通用CPCI接口設計

4.1 硬件設計

模塊采用CPCI總線(xiàn)，由于要實(shí)現主控模塊和外設模塊的自適應轉換，設計中采用PCI6466做為模塊內部PCI局部總線(xiàn)到CPCI底板總線(xiàn)的橋接器。PCI6466是PLX公司設計的功能強大的工業(yè)用雙模式通用PCI到PCI橋接器，可以在橋的主端和從端實(shí)現完全異步的操作。PCI6466有透明模式、非透明模式和通用模式三種工作模式，設計時(shí)可以根據需求進(jìn)行靈活的配置。

透明模式工作時(shí)，橋的從端的所有設備對主端的主系統是透明的，從端的所有設備只能由主端的主系統對其進(jìn)行配置和控制，主端和從端的時(shí)鐘一般必須同步，主端和從端的地址完全透明，在主端和從端之間的地址傳遞是直接傳輸，不用進(jìn)行地址轉換。

非透明模式工作時(shí)，橋的兩端是兩個(gè)獨立的處理器域，從端的資源和地址對主端的處理器是不可見(jiàn)的。允許從端的本地處理器獨立地配置和控制其子系統，主端和從端的時(shí)鐘可以同步或異步。主端和從端的地址完全獨立，主端和從端的地址由橋來(lái)進(jìn)行轉換。

通用模式下可以通過(guò)TRANS#信號將PCI6466設置為通用透明模式和通用非透明模式。為實(shí)現模塊的主從自適應轉換，在本設計中PCI6466被配置為通用模式。

在通用模式下，PCI6466的TRANS#信號可以直接連接到CPCI總線(xiàn)的SYSEN#管腳，SYSEN#管腳是系統主控模塊使能信號，CPCI底板中系統槽將它接地，外設槽將該信號拉高。當模塊插入系統槽時(shí)，SYSEN#信號為低，PCI6466工作在透明橋模式。反之，如果模塊被插入外設槽，SYSEN#信號為高，PCI6466工作在非透明橋模式。這樣就可以實(shí)現模塊的主從自適應轉換功能。

4.2 PCI接口驅動(dòng)

VxWorks操作系統中提供了對PCI驅動(dòng)的良好支持，并且可以根據實(shí)際情況進(jìn)行裁剪，PCI接口驅動(dòng)開(kāi)發(fā)按照如下步驟進(jìn)行。

1)PCI配置空間初始化。通過(guò)調用PCI配置空間初始化函數完成PCI配置空間的初始化;

2)查找PCI設備。通過(guò)函數pciFindDevice來(lái)實(shí)現PCI設備的查找。該函數可以根據給定的Vendor ID和Device ID來(lái)掃描總線(xiàn)，找出設備所在的Bus No、Device No和Func No。

3)地址空間映射。通過(guò)操作系統提供的函數訪(fǎng)問(wèn)PCI設備的配置空間，配置PCI設備的基址寄存器、中斷、ROM基地址寄存器等，這樣可以得到PCI設備的存儲空間和I/O地址空間映射、設備的中斷號等;

4)具體的設備驅動(dòng)。根據PCI設備的配置參數，對不同的PCI設備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)函數以及相應的功能函數。

5 模塊功能驗證

完成系統和驅動(dòng)軟件的設計后，在具體應用環(huán)境中對系統的功能和性能進(jìn)行驗證，系統驗證了如下功能：

(1)模塊的數據處理功能，利用測試程序對CPU、SDRAM、FLASH、NVRAM等基本CPU資源進(jìn)行驗證，各部分功能正常。

(2)模塊的IO功能，利用測試程序對模塊的AD、RS422等功能進(jìn)行驗證，AD精度滿(mǎn)足要求，RS422數據傳輸正常。

(3)CPCI的主從自適應功能，在測試工裝中分別把模塊插入系統槽和外設槽，模塊能自動(dòng)的識別并設置自己的角色，作為主設備時(shí)可以完成對外設的配置，作為外設時(shí)可以在PCI設備列表中掃描到。

6 結語(yǔ)

本文介紹了一種通用CPCI數據處理與IO模塊的設計與實(shí)現，滿(mǎn)足CPCI總線(xiàn)規范的模塊采用加固型的結構設計和高可靠的連接器，具有較高的可靠性和較強的環(huán)境適應能力。模塊經(jīng)過(guò)系統的測試驗證，具備通用性、高可靠性的特點(diǎn)。